關鍵詞：水稻；種植模式；水分管理；微生物；群落結(jié)構(gòu)

水稻（OrVza sativa L）是我國最重要的糧食作物之一，2022年全國早稻播種面積475.51萬hn2，水稻種植面積和產(chǎn)量對保障國家糧食安全具有重要的戰(zhàn)略意義。南方地區(qū)又是我國重要的水稻生產(chǎn)基地和雙季稻作區(qū)，水稻播種面積占總播種面積的60%以上。但隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展和目前水稻生產(chǎn)成本持續(xù)增加，單季或一季稻化趨勢不斷加劇，水稻種植制度不斷發(fā)生變化，其中煙稻輪作更是南方煙區(qū)的主要種植模式之一，自20世紀70年代稻田改制以來煙稻輪作面積逐漸擴大，極大提高了農(nóng)民的種植收益。

稻田生態(tài)系統(tǒng)既是一個重要的碳匯，也是農(nóng)業(yè)溫室氣體排放源之一。已有的研究認為，長期植稻過程中土壤有機質(zhì)處于持續(xù)增加狀態(tài)，年均固碳速率可達0.28t·hm-2，具有明顯的固碳效應，而淹水時期稻田土壤中有機殘體和根系分泌物等有機物被產(chǎn)甲烷細菌分解產(chǎn)生大量CH4，其排放量占稻田直接碳排放的60%以上。微生物在稻田養(yǎng)分循環(huán)、有機質(zhì)分解以及土壤結(jié)構(gòu)形成和穩(wěn)定性方面發(fā)揮重要作用，且其對環(huán)境較為敏感，農(nóng)藝活動、淹水條件等會導致土壤環(huán)境因子發(fā)生變化，進而影響微生物群落變化。水稻種植制度的變化勢必會影響不同作物生長時期施肥結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分歸還等，繼而導致土壤環(huán)境條件發(fā)生變化。甘豪等的研究表明，水旱輪作能明顯提高雙季稻田土壤pH值，雙季稻田土壤有機質(zhì)含量高于單季稻田。宮殿林等的研究表明，雙季稻模式綜合肥力下降，而一季稻和旱作模式均有上升。方遠鵬等有關烤煙連作、烤煙一玉米輪作等種植制度對土壤細菌群落影響的研究發(fā)現(xiàn)，長期烤煙連作會導致植煙土壤速效鉀含量顯著富集，土壤過氧化氫酶活性顯著升高，有益細菌生長受到抑制，土壤細菌群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受到破壞。而水稻水旱輪作方式以及水稻生長期間淹水+排干水分管理也會對土壤理化性質(zhì)和微生物產(chǎn)生影響，繼而會影響水稻生長期間溫室氣體的排放，但目前對不同水稻種植制度下淹水期、排干期土壤微生物群落變化缺乏了解。綜上，本試驗通過長期定位研究3種水稻種植管理制度對淹水期、排干期稻田土壤化學性質(zhì)、可溶性碳氮、微生物群落結(jié)構(gòu)以及甲烷相關功能基因豐度的影響，揭示微生物與土壤環(huán)境因子的相互關系，旨為水稻與稻田溫室氣體減排技術提供科學依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗地概況

試驗地位于泰寧縣，屬亞熱帶季風性氣候區(qū)，年平均氣溫17℃，年平均降水量1800mm左右，日照時數(shù)為1780h，無霜期300d以上。試驗田土壤為灰黃泥，質(zhì)地為中壤土。試驗前耕層土壤（0-20cm）化學性質(zhì)為：pH5.19;有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)42.2g·kg-1，堿解氮質(zhì)量分數(shù)152.5mg·kg-1，有效磷質(zhì)量分數(shù)40.6mg·kg-1，速效鉀質(zhì)量分數(shù)245.3mg·kg-1。

1.2試驗設計

試驗共設計3種水稻種植模式，分別為單季稻不施肥（SR）、單季稻+施用化肥（SRN）、煙一稻輪作模式（YHD），小區(qū)面積為80m2（8mx10m），完全隨機區(qū)組排列，每個處理重復3次。供試單季稻品種為甬優(yōu)7850，煙稻輪作的烤煙品種為翠碧一號。單季稻種植時間為每年6月中上旬；煙稻輪作模式一般在煙草采收后的6月中上旬種植單季稻，水稻施肥量（折純）為氮肥165.0kg·hm-2、磷肥52.5kg·hm-2、鉀肥75.0kg·hm-2。試驗于2005年建立，不同水稻種植模式下均未實施秸稈還田，除煙草外水稻根茬進行旋耕還田。

1.3土壤樣品采集

分別于2022年7月（水稻淹水期）和10月（水稻排干期）在各試驗小區(qū)內(nèi)以“S”型多點混合采集0-20cm土壤樣品，去除植物根系和碎石，樣品混合后利用四分法采集一定量置于冷藏箱內(nèi)帶回實驗室分析。

1.4測定內(nèi)容與方法

pH和電導率（EC）采用pH計和電導率儀以水土比2.5：1浸提測定，全氮質(zhì)量分數(shù)采用凱氏法測定，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)采用重鉻酸鉀和硫酸亞鐵滴定法測定，可溶性有機碳（DOC）和可溶性總氮質(zhì)量分數(shù)采用以水土比5：1浸提一島津TOC儀測定，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)采用1mol·L-１KCI浸提一連續(xù)流動分析儀測定?？扇苄杂袡C氮采用差減法得到，即可溶性有機氮=可溶性總氮一（銨態(tài)氮+硝態(tài)氮）。

淹水期和排干期土壤細菌群落組成測定采用Illumina二代高通量測序技術，由上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司完成。采用絕對熒光定量PCR方法測定產(chǎn)甲烷菌相關的甲基輔酶M還原酶基因（mcrA）和甲烷氧化菌相關的甲烷氧化單加氧酶基因a-亞基（pomA）的絕對豐度。用于mcrA基因擴增的引物序列分別為上游引物5'-CAAAGGGAACCCAG-GAAGT-3’和下游引物5’-GCAGGTCGTAGCCGAA-GA-3’；用于pomA基因擴增的引物序列分別為上游引物5’-GGNGACTGGGAcTTCT-GG-3’，下游引物5’-GGTAARGACGTTGCNCCGG-3'。

1.5數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019進行試驗數(shù)據(jù)處理與繪圖，利用SPSS19.0進行單因素方差分析，顯著性水平為0.05。微生物數(shù)據(jù)分析基于上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司提供的云服務（https：//www.i-sanger．com）進行。參照王義祥等的方法，分析前以“按最小樣本序列數(shù)”進行數(shù)據(jù)抽平處理，數(shù)據(jù)組間的比較采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和克氏秩和檢驗（Kruskal-Wallis H test）。環(huán)境因子關聯(lián)分析采用歐氏距離法。

2結(jié)果與分析

2.1土壤pH和EC的變化

圖1分析顯示，不同種植模式下淹水期稻田土壤pH均顯著高于排干期，EC顯著低于排干期（Plt;0.05）。不同種植模式相比，淹水期SR處理土壤pH分別比SRN和YHD處理高0.29個和0.21個單位，且其與SRN和YHD處理間的差異達顯著性水平（Plt;0.05），排干期具有相似的變化規(guī)律。淹水期和排干期YHD處理土壤pH分別比SRN處理高0.08個和0.18個單位，但兩者間的差異不顯著（Pgt;0.05）。圖2分析顯示，淹水期SRN和YHD處理土壤EC分別是SR處理的2.8倍和4.1倍，差異達顯著性水平，但SRN和YHD處理間差異不顯著（Pgt;0.05）。排干期SRN和YHD處理間土壤EC差異達顯著性水平（Plt;0.05）。

2.2土壤有機質(zhì)和全氮的變化

不同種植模式下排干期稻田土壤有機質(zhì)和全氮的質(zhì)量分數(shù)變化見圖3和圖4。YHD處理土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)和全氮質(zhì)量分數(shù)最高，比SR處理高出了32.88%和34.79%，比SRN處理高出了38.22%和44.39%，且YHD處理與SR、SRN處理間的差異均達到顯著性水平（Plt;0.05），但SR與SRN處理間差異不顯著（Pgt;0.05）。

2.3土壤DOC的變化

土壤DOC作為土壤有機碳活躍組分之一，是土壤有機碳積累與損失的重要指標。圖5分析顯示，不同水稻種植模式下淹水期土壤DOC質(zhì)量分數(shù)比排干期高m 17.44%-48.02%，但不同時期間未達到顯著性差異（Pgt;0.05）。不同水稻種植模式相比，淹水期和排干期土壤DOC質(zhì)量分數(shù)均以SR處理最低，YHD處理最高，淹水期YHD處理比SR處理高出47.89%，排干期YHD處理比SR處理高出17.34%。

2.4土壤可溶性氮的變化

圖6顯示，不同水稻種植模式下淹水期土壤可溶性總氮質(zhì)量分數(shù)顯著高于排干期（Plt;0.05）。淹水期不同水稻種植模式下土壤可溶性總氮中以可溶性有機氮為主，占總氮質(zhì)量分數(shù)的56.06%-62.54%，其次是銨態(tài)氮和硝態(tài)氮；排干期以硝態(tài)氮為主，占可溶性總氮的62.34%-74.05%，其次是可溶性有機氮和銨態(tài)氮。在水稻種植淹水期，YHD處理可溶性總氮、可溶性有機氮、銨態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)分別比SR和SRN處理高出115.27%和54.90%、92.94%和43.92%、161.93%和83.80%，且其與SR和SRN處理間的差異均達到顯著水平（Plt;0.05）；SRN處理高于SR處理，但兩者間的差異不顯著（Pgt;0.05）。在水稻種植排干期．SR處理硝態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)分別比SRN和YHD處理高6.99%和7.35%，但可溶性總氮、銨態(tài)氮、可溶性有機氮質(zhì)量分數(shù)比SRN和YHD處理低9.68%和9.61%、29.83%和33.53%、15.05%和19.56%，但不同處理間差異不顯著。

2.5土壤細菌群落多樣性分析

a多樣性分析結(jié)果表明（表1），不同水稻種植模式下淹水期土壤菌群的Sobs、Shannon和Ace指數(shù)均以SRN處理最高，其次是YHD處理；而排干期以YHD處理最高。排干期土壤菌群的Sobs、Shannon和Ace指數(shù)均顯著高于淹水期（Plt;0.05）。

2.6土壤細菌群落結(jié)構(gòu)分析

水稻種植淹水期，在屬水平上，所有土壤樣品中共注釋到889屬（圖7a），各處理包含菌屬的排序為YHDgt;SRgt;SRN。其中3個處理的共有菌有664屬，SR處理獨有23屬，SRN 13屬，YHD 41屬。Rhodomicro-bium、Mycobacterium、BradVrhizobium、Xanthobacter等均是主要的優(yōu)勢菌屬。除此之外，YHD處理還有Gai-ellale.s、Acidothermu.s、Conexibacter等優(yōu)勢菌屬。SR和SRN處理均以Xanthobacter的相對豐度最高，分別占4.84%和2.79%，其次是Acidobacterium，分別占3.96%和2.79%，而YHD處理相對豐度以JG30-KF-AS9最高，其次是Gaiellales（2.90%）和Acidothermus（2.76%）。在屬水平上的單因素方差分析（One-WaV ANOVA）和Tukey-Kramer檢驗表明（圖8a），3個處理間的Ther-modesulfovib rionia的豐度存在極顯著差異（Plt;0.01）。Xanthobacter、Bryobacter、P.seudolabrys、Syntrophorhab-dus、Caulobacter、Aquabacterium、Paenibacillus等的豐度存在顯著差異（Plt;0.05）

水稻種植排干期，在屬水平上，所有土壤樣品中共注釋到849屬（圖7b），各處理包含菌屬的排序為YHDgt;SRgt;SRN。其中3個處理的共有642屬，SR處理獨有18屬，SRN 16屬，YHD 56屬。Acidobacterium、Xanthobacter、Rhodomicrobium、Gaiellale.s等均是主要的優(yōu)勢菌屬。SR和SRN處理均以Acidobacterium和Xanthobacter的相對豐度最高，而YHD處理以Acido-bacterium相對豐度最高，其次是Gaiellale.s（ 2.3%）。在屬水平上的單因素方差分析和Tukey-Kramer檢驗表明（圖8b），3個處理間的Actino.spica和Acidobacterium的豐度存在極顯著差異（Plt;0.01）。Xanthobacter、Ni-tro.spira、Ro五M6acteriale.s、Chitinophaga、Micromono.spora等的豐度存在顯著差異（Plt;0.05）。

2.7淹水期甲烷相關功能基因豐度的變化

如圖9所示，產(chǎn)甲烷菌相關的甲基輔酶M還原酶基因（mcrA）的絕對豐度以SRN處理最高，分別比SR和YHD處理高46.42%和37.11%，但三者間均無顯著性差異（Pgt;0.05）。甲烷氧化菌相關的甲烷氧化單加氧酶基因a-亞基（pomA）的絕對豐度以YHD處理最低，分別比SR和SRN處理低18.54%和18.45%，但三者間均無顯著性差異（Pgt;0.05）。

2.8與環(huán)境因子的關聯(lián)分析

環(huán)境因子對菌群結(jié)構(gòu)影響的RDA分析表明，水稻淹水期RDAI軸和RDA2軸對菌群結(jié)構(gòu)差異的解釋度分別為73.04%和9.12%。SR和SRN處理與YHD處理在RDA1軸方向上被分離開（圖10a）。Heatmap相關性分析表明（圖11a），Acidibacter、Acido-thermu.s、Conexibacter、Rhodanobacter與pH、EC、可溶性總氮、銨態(tài)氮均具有顯著的相關性（Plt;0.05）等與EC、可溶性總氮、銨態(tài)氮亦存在顯著的相關性（Plt;0.05）。水稻排干期RDAI軸和RDA2軸對菌群結(jié)構(gòu)差異的解釋度分別為33.02%和20.59%。3個處理在兩個軸上均未被完全分離開（圖10b）。圖11b顯示，Chloroplast、Pseudol-abrYs、Micropep.saceae與EC間具有顯著的相關性（Plt;0.05）；Late.scibacterota．Clostridium與DOC間具有顯著的相關性（Plt;0.05）；Rhodanobacter、Chloroplast與銨態(tài)氮間具有顯著的相關性（Plt;0.05）。

3討論

3.1種植模式對稻田土壤化學性質(zhì)的影響

單季稻不施肥模式下稻田土壤pH高于單季稻化肥和煙稻輪作種植模式，而EC低于單季化肥和煙稻輪作種植模式。唐賢等運用整合分析方法研究化學氮肥對我國農(nóng)田土壤pH影響的結(jié)果也表明，在平均施氮量為150kg·hm-2的條件下，施用化肥可以顯著降低土壤pH;與不施肥相比，施用化肥使土壤pH在不同利用方式、種植制度和初始pH下均降低，這與本研究結(jié)果一致。煙稻輪作模式有利于稻田土壤肥力的提高，其土壤有機質(zhì)和全氮質(zhì)量分數(shù)相比單季稻（施肥與不施肥）顯著提高了32.9%-34.8%和38.2%-44.4%。本試驗中3種水稻種植模式下雖未實施秸稈還田，但煙稻輪作處理上茬作物收獲后根茬還田，促進了土壤有機質(zhì)的積累。土壤可溶性碳、氮在稻田土壤碳循環(huán)和養(yǎng)分循環(huán)中起到重要作用，其中DOC是土壤有機碳中最活躍的組分之一，也是微生物生長繁殖的能量來源。本試驗結(jié)果表明，煙稻輪作模式稻田土壤DOC比單季稻高出17.3%-47.9%。劉璇等的研究也發(fā)現(xiàn)，花生、冬小麥、夏玉米的不同輪作模式土壤DOC質(zhì)量分數(shù)比花生單作模式高出了48.7%-344.8%，這與土壤有機質(zhì)的變化規(guī)律相一致。此外，輪作處理有利于作物殘體經(jīng)過土壤生物腐殖化和土壤膠體的固定作用形成有機質(zhì)并在土壤中累積，殘體碳同時可轉(zhuǎn)化為DOC等活性有機碳。可溶性總氮是指土壤中可溶于水或鹽溶液的氮，包括可溶性有機氮和無機氮，是水稻能夠直接利用的重要氮組分。本試驗發(fā)現(xiàn)，煙稻輪作模式土壤中可溶性總氮、銨態(tài)氮和可溶性有機氮質(zhì)量分數(shù)高于單季稻處理，單季稻施化肥處理又高于單季稻不施肥處理。水稻種植方式的差異，改變了輸入土壤中有機物的類型與數(shù)量，影響了微生物活性和礦化速率，繼而影響土壤中的氮素轉(zhuǎn)化以及利用，這與楊成等的研究結(jié)果相一致。

3.2種植模式對稻田土壤微生物的影響

微生物在調(diào)節(jié)作物生產(chǎn)力、土壤碳循環(huán)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化等方面發(fā)揮著重要作用。水稻種植模式改變了稻田土壤微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)。排干期煙稻輪作模式稻田土壤細菌多樣性Sobs、Shannon和Ace指數(shù)高于單季稻，而單季稻施肥與不施肥變化不大。淹水期和排干期3種水稻種植模式在酸桿菌屬、黃色桿菌屬等豐度上均存在顯著性差異。酸桿菌屬細菌在驅(qū)動土壤物質(zhì)循環(huán)過程中起著重要作用，相關性分析也表明酸桿菌屬與pH、EC、可溶性總氮質(zhì)量分數(shù)、銨態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)間存在顯著的相關性。Ward等的研究發(fā)現(xiàn)，酸桿菌門Gpl和Gp3在氮循環(huán)中起重要作用，其通過促進硝酸鹽和亞硝酸鹽的轉(zhuǎn)化，使得土壤中的硝酸鹽和亞硝酸鹽含量降低。淹水期三種處理在苔蘚桿菌屬、脫硫弧菌屬、互營桿菌屬等豐度上存在顯著差異。其中苔蘚桿菌屬也屬酸桿菌門，而脫硫弧菌屬、互營桿菌屬均為硫酸鹽還原菌類。水稻土中硫酸鹽還原菌作為厭氧原核微生物，已被證明能夠參與CH4的厭氧氧化，在土壤碳、硫循環(huán)中發(fā)揮著重要的作用。相較單季稻種植模式，煙稻輪作模式下稻田土壤中脫硫弧菌屬、互營桿菌屬細菌豐度降低，甲烷氧化菌相關的甲烷氧化單加氧酶基因a-亞基（pomA）絕對豐度也低于單季稻處理。淹水條件下單季稻施肥處理產(chǎn)甲烷菌相關的甲基輔酶M還原酶基因（mcrA）絕對豐度高于不施肥處理。Bykova等的研究表明，與CH4釋放的電子相比，甲烷氧化菌以02作為電子受體更樂于接受NH4釋放的電子。氮肥含有的NH4能夠有效抑制稻田CH4的氧化，從而提高稻田CH4排放。在排干期，3種水稻種植模式下土壤中叢生放線菌屬、硝化螺旋菌屬、羅庫菌屬等細菌的豐度也存在顯著性差異。相較單季稻種植模式，煙稻輪作模式下土壤中硝化螺旋菌屬豐度顯著增加，這與煙稻模式下土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)高于而硝態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)低于單季稻的結(jié)果相一致。

3.3水分管理時期對稻田土壤可溶性碳氮和微生物的影響

稻田的水分管理也顯著影響了稻田土壤可溶性碳、氮的質(zhì)量分數(shù)。不同種植模式下淹水期稻田土壤DOC質(zhì)量分數(shù)比排干期高出17.4%-48.0%；淹水期稻田土壤中可溶性總氮以可溶性有機氮為主，而排干期則以硝態(tài)氮為主；淹水期稻田土壤可溶性總氮、可溶性有機氮和銨態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)均高于排干期。淹水通常導致土壤有機質(zhì)積累，氧化還原容量增加，土壤pH升高。淹水土壤中，有機氮主要通過嫌氣分解成無機形態(tài)氮，其分解速率遠低于排干條件下有機氮好氣分解的速率，因此導致土壤中可溶性有機氮質(zhì)量分數(shù)的增加。但同時由于可溶性有機氮具有較高的溶解性和遷移性，淹水條件可能會加劇稻田土壤氮素損失的風險。土壤水分也是影響微生物活性的重要因素，通過控制空氣中02的擴散而間接影響好氧微生物的活性。水分管理的差異導致稻田土壤氧化還原電位、pH、土壤無機氮含量、可溶性有機氮含量、可溶性有機碳含量等的變化，這些因素都可能導致土壤細菌群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化。本試驗發(fā)現(xiàn)，3種水稻種植模式下稻田土壤細菌以好氧或兼性厭氧的黃色桿菌屬、酸桿菌屬、紅薇菌屬、蓋勒氏菌屬等為優(yōu)勢菌，但排干期稻田土壤菌群的Sobs、Shannon和Ace指數(shù)均顯著高于淹水期。排干條件下，稻田土壤中的微生物能夠與空氣接觸并處于好氧狀態(tài)，氧氣作為電子受體并促進土壤微生物生理生態(tài)過程，驅(qū)動了土壤元素轉(zhuǎn)化，如本研究中硝化螺旋菌屬在硝酸鹽和亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化中發(fā)揮了重要作用。

4結(jié)論

（1）不同稻田水分管理條件下土壤可溶性氮分配發(fā)生了顯著變化，淹水期以可溶性有機氮為主，排干期以硝態(tài)氮為主。

（2）煙稻輪作模式有利于稻田土壤肥力的提高，相較單季稻處理，稻田土壤有機質(zhì)、全氮質(zhì)量分數(shù)分別提高了32.9%-34.8%和38.2%-44.4%。煙稻輪作模式也可顯著提高淹水和排干條件下稻田土壤中可溶性有機碳和銨態(tài)氮的質(zhì)量分數(shù)，但對硝態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)的影響不明顯。

（3）稻田土壤均以好氧或兼性厭氧的黃色桿菌屬、酸桿菌屬、紅薇菌屬、蓋勒氏菌屬等為優(yōu)勢菌屬；而排干期煙稻輪作模式稻田土壤細菌多樣性指數(shù)高于單季稻。淹水期3種模式在脫硫弧菌屬、互營桿菌屬等硫酸鹽還原菌類豐度上存在顯著差異，排干期在硝化螺旋菌屬、羅庫菌屬的豐度也存在顯著差異。